Stress durch Eisenmangel bei Rebenunterlagen

Das Projekt VineLresp (Reaktion von Rebenunterlagen auf Eisenmangel induziert durch hohe Kalkgehalte im Boden) befasst sich mit der Reaktion von Eisenmangel und hohen Karbonatgehalten im Boden auf Rebenunterlagen. Chlorose durch Eisenmangel auf karbonathältigen Böden ist ein generelles Problem landwirtschaftlicher Kulturen, auch von der Weinrebe. Rebenunterlagen haben eine unterschiedliche Toleranz für hohe Kalkgehalte im Boden, aber die biochemischen Mechanismen dieser Unterschiede sind noch sehr wenig erforscht. Ein Vergleich mit der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zeigt die Wissenslücke bei Rebenunterlagen deutlich auf. Das Projekt VineLresp möchte genau diese Wissenslücke mit Bezug auf Wurzelexudate, Suberization der Endodermis und lokalen versus systemischen Signalen in der Pflanze schließen. Unser Hypothese besagt, das Wurzelexudate der Rebenunterlagen komplexer sind als bisher bekannt und dass es ein Anpassung der Suberization der Endodermis gibt, die neben anderen Faktoren die Nährstoffaufnahme beeinflussen können. Lokale, wie auch systemische Effekte in den Wurzeln werden untersucht. Im Projekt werden unterschiedliche Messungen kombiniert: physiologischen Parameter, Biomoleküle, Expression von Genen, und Verteilung von radioaktiven Elementen. Die Kombination von standardisierten Versuchen mit modernen Analysemethoden stellt ein Novum bei der Untersuchung von Rebenunterlagen dar.

Das Projekt VineLresp hatte zum Ziel das unterschiedliche Toleranzniveau von Rebenunterlagen in Bezug auf die Verfügbarkeit von Eisen, entweder durch Eisenmangel oder hohe Kalkgehalte, zu untersuchen. Gelbe Blätter (Chlorose) ist das Mangelsymptom von Eisen und beeinflusst die Photosynthese stark. Die Versuche wurden in Töpfen durchgeführt und in einem ersten Schritt wurden unterschiedliche Versuchsbedingungen verglichen um die Forschungsfragen zu beantworten. Sand als inertes Substrat eignete sich am besten um Kalkstress durch Bicarbonat auszulösen, während die Zusammensetzung der Nährlösung am einfachsten in einer hydroponischen Kultur verändert werden konnte. Die Stressreaktion der Pflanzen wurde durch Messung der Pflanzenphysiologie, des Wachstums, der Wurzelmorphologie, der Produktion von Sekundärmetaboliten und der Genexpression mit RNASeq ermittelt. Alle Versuche wurden mit der toleranten Rebenunterlage Fercal und der anfälligen Unterlage 3309C durchgeführt. Eisenmangel (-Fe) und niedrige Eisenverfügbarkeit durch hohen Bikarbonatgehalt (+Fe+BIC) führten zu den folgenden Ergebnissen: a) deutlich stärker Blattsymptome bei 3309C (wie erwartet), obwohl die Konzentration von Eisen in den Blättern ähnlich war wie bei Fercal, b) gestörtes Pflanzenwachstum bei beiden Unterlagen, aber Fercal zeigte ein sehr starkes Wachstum der Wurzeln unter +Fe+BIC Stress, gestützt durch eine erhöhte Expression von Genen für die Wurzelentwicklung, c) das Profil von organischen Säuren in den Wurzeln wurde stark durch die Art des Stresses und den Genotyp beeinflusst und unterstreicht damit deren Wichtigkeit für die Nährstoffaufnahme, und d) erhöhte Expression von Genen für die Eisen-Mobilisierung und den Eisen-Transport in den Wurzelspitzen von Fercal, was auf einen effizienteren Transport von den Wurzeln zu den Trieben hindeuten könnte. Der Versuch wurde als Split-Root-System wiederholt und die noch durchgeführten Analysen werden zusätzliche Ergebnisse über Signale in der Pflanze beisteuern. Die Suberineinlagerung in die Endo- und Exodermis der Wurzel wurden mit Querschnitten analysiert und zeigten deutliche Unterschiede zwischen Fercal und 3309C, wobei Fercal früher und stärker Suberin einlagert. In einem weiteren Versuch mit einem hydroponischen System untersuchten wir die Wechselwirkung von Eisenmangel und die Verfügbarkeit von Stickstoff als Nitrat oder in Kombination von Nitrat und Ammonium. Die wichtigsten Ergebnisse sind: a) Fercal investiert in das Wurzelwachstum und die Aktivität der Eisen(III)-Reduktase unter Fe-Mangel, b) Stickstoff nur als Nitrat erhöht den Schweregrad der Chlorose-Symptome, c) unterschiedliche Gene für die Eisen-Aufnahme, -Regulation und -Transport werden in ihrer Expression stark beeinflusst und unterstreichen den Einfluss der unterschiedlichen Rebenunterlagen. Unsere Versuche konnten zusammenfassend einen starken Einfluss der Rebenunterlagen auf Ergebnisse auf unterschiedlichen Ebenen identifizieren, sowohl durch Eisenmangel als auch durch Carbonatstress. Schlussfolgernd stellen wir fest: Fercal hat im Vergleich zu 3309C eine höhere Anpassungsfähigkeit um das Gleichgewicht von Eisen in der Pflanze unter Eisenmangel aufrecht zu erhalten. Unsere Ergebnisse tragen wesentlich zum Verständnis der phänotypischen Unterschiede von Rebenunterlagen bei, aber weitere Untersuchungen sind nötig, um die Hierarchie der Prozesse besser verstehen zu können.